（岩土工程专业论文）二八灰土强度变化规律分析及其本构关系的研究.pdf

硕卜学位论文 摘要 灰土对处理湿陷性黄土地基非常有效，而且相对其他地基处理方法来说更为经 济。灰土作为一种历史悠久的建筑材料在西北地区得到广泛的应用，但至今为止对 灰土的研究还远远没有满足工程上的需要。工程技术人员虽然对灰土的性质有一定 的感性理解，但对灰土的工程性质及机理并没有深入研究。因而对灰土的强度的变 化规律进行研究有着重要的意义。 本工作主要做了二八灰土的击实试验，不同龄期的三轴强度试验及反复浸水试 验。通过击实试验得出，灰土的最优含水量接近塑限含水量，灰土的击实功随着含 水量的减少而降低。通过三轴试验得出，灰土的养护龄期必须满足9 0 天才能达到 其应有强度，9 0 天后也会有一定增长，但增长量较小。另外发现灰土的c ，f 值受 围压的影响，c 值随围压的增大而增大，f 值随围压的增大而减小。低龄期的灰土c ， f 值的变化较高龄期的大。浸水次数对灰土( 湿试样) 的c ，f 值影响明显，首次浸 水使内聚力c 值下降显著，以后浸水对c 值影响甚微。与此不同，内摩擦角在数次 浸水后( 本次试验为4 次) 才趋于稳定。而对灰土浸水后风干的试样来说，浸水次 数对灰土的c ，f 值影响不明显，但c ，f 值仍然随浸水次数呈直线下降( 本试验只 做4 次浸水) 。 在灰土本构方面主要是采用邓肯张模型对灰土的应力应变进行分析，从中找 出其不同状态下灰土的强度和应力应变特性。分析发现，邓肯张模型适用于灰土， o 土e 。关系为线性极相关的关系。 关键词：灰土；强度变化；浸水试验；三轴试验；邓肯张模型 二八灰十强度变化规律分析及j 奉构关系的研究 a b s t r a c t l i m e s o i li sv e r ye 五f e c t i v et od e a lw i t hc o l l a p s i b l el o e s sf o u n d a t i o n ，a n di ti sm o r e e c o n o m i c a lt h a no t h e rm e t h o d so fg r o u n dt r e a t m e n t i j m e s o i la sab u i l d i n gm a t e r i a lh 懿a l o n gh i s t o r ya n dh a v eb e e nu s e dw i d e l yi nn o r t h w e s tt e 玎i t o r i e s ， b u tt h es t u d yo nl i m e - s o i l e n 百n e e r i n gp r o p e r t i e si sf 打丘d mm e e t i n gt h en e e d so fe n 舀n e e r i n gb e f o r e 舢t h o u g l lm a n y e n g i n e e r i n gs t a f f sh a v eac e n a i ns e n s i b i l i t yi nt h en a t u r e0 fl i m e s o i l t ou n d e r s t a n d h o w e v e r ， t h es t r e n 舀he i 山a n c co fl i m e s o i li nt h em e c h a n i s mi sn o ti n d e p t hs t u d y t h u st h es t r e n 舀ho f l i m e - s o i lt 0s t u d yt h ec h a n g e si s 黟e a ts i 印i f i c a n c c t h em a i n l yw o r k si s2 ：8l i m e s o i l t a l l l p i n gt e s t 柚dt h ed i 虢r e n ta g ec o n f i n i n gp r c s s u r e t r i a x i a lt e s t sa n dt a l 【i n gs o m ei l i l m e r s i o nt e s t s t h r o u g l lt a m p i n gt e s t ，i ti so b t a i n e dt h e l i m e - s o i lo p t i m a lw a t e fc o n t e n ti sn e a np l a s t i cl i i i l tw a t e rc o n t e n t ，h i tr e a c t i v eo ft h el i m e - s o i l w i l ld e c r e a s ew i t ht h ew a t e rc o n t e n t 。f r o mt h et r i a x i a lt e s t ， a g eo fl i m e - s o i lc o n s e a t i o n m u s tb em e tw i t h i n9 0d a y st or e a c hi t ss t r e n 舀h i tw i l lb es u b j e c tt oc c n a i l l 伊o 、矶ha f t e r9 0 d a y s ，b u ti ti sas m a l l e ri l l c 陀於e b yt h ee 骶c t so fc 0 n 缅i n gp r e s s u r c ， i ti sf o u n dt h a tcv a l u e o fl i m e - s o i lw i l li n c r e a s e sw i t l lt h ec o n f i n i n gp r e s s u r c fv a l u e sw i l li l l c r e 舔ew i t ht h e c o n f i n i n gp r e s s u r ed e c r e a s e s t 1 l ec ，fv a l u e so fy o u n gl i i i l e - s o i lw i l lc h a n g ei nl a f g ct h 锄t h e o l dl i m e s o i l 。t h et i m e so fi m m e r s i o nw i l l ( w e ts a m p l e ) i m p a dt h ec ，fv a l u e ss i g n i f i c a n t l y t h ev a l u eo fc o h e s i o ncw md e c l i n es i g n i f i c a n t l ya f t e rt h ef i r s ti m m e r s i o n t 1 l eo t h e f i n l m e 硌i o n sh a v el i t t l ee 骶c ti nt h ecv a l u e 0 t h e n i s e ，i l l t e m a l 筋c t i o n 锄酣ew i l lb es t a b i l i z e d a n e rt h ew a t e rs e v e m l i m m e r s i o n s ( t h et e s tf o r4 ) t h en u m b e ro fi m m e r s i o nw i l le 骶c to f t h ec ，fv a l u eo ft h el i m e - s o i la i r - d r i e ds 锄p l e sw 弱n o to b v i o u s h o w e v e r c ，fv a l u e sw i l l s h o w e das t r a i g l l tl i n ed e c l i n ei nt h en u m b e ro fi m m e r s i o n ( 4t i m e so n l y ) i ti su s e dd u n c a n - z l l a n gm o d e lt o 柚a l y s i st h el i m e s o i ls t r e s s s t r a i nr e l a t i o n s ，a n d f i n do u tt h es t r e n 砷锄ds t r e s s s t r a i nc h a r a c t e r i s t i 岱o fl i m e s o i li nd i 骶r e ms t a t e s ，n l e 锄a l y s i sf o u n dt h a td u n c 锄- z h a n gm o d e li s 印p l i c a b l et ol i m e - s o i l ，t h ef e l a t i o n s h i p p = = 三e ar e l a t i o n si se x t r e m e l yl i n e a rc 0 玎e l a t i o n o l 一0 3 k e yw o r d s ：l i m e - s o i l ；i n t e n s i 坶c h a n g e s ；i m m e 璐i o nt e s t ；t r i a x i a lt e s td u n 翰n - z h a n g m o d e l 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：辱5 络 日期：沙7 年 学位论文版权使用授权书 日 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名：奄1 咯话 别噬辄齐吻亏 日期：沙7 年 日期：彳年 6 月 7 日 彭月9 。日 l 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 灰土的分类、构成和应用 1 1 1 灰土的分类 一般灰土是指将消石灰粉或生石灰粉掺入各种粉碎或原来松散的土中，经拌合、压 实及养护后得到的混合料【1 】【4 。1 0 1 。工程上常用的灰土为二八灰土和三七灰土( 根据石灰 和土的比例不同而命名) 。 另外，有时由于工程点附近有大量的粉煤灰，在这一工艺中外加部分粉煤灰来提高 灰土的强度，这种混合料称为二灰土。有时根据工程需要，为了加大灰土强度或加快灰 土强度提高，在灰土地基处理这一工艺中外加部分水泥，我们常称之为水泥灰土。它们 在强度形成机理上基本相似但又有一定的差别。在灰土的配置基础下拌合着建筑垃圾所 形成的复合土成为渣土。渣土中的大颗粒( 建筑垃圾) 可以承担一部分外界荷载力，同 时大颗粒对灰土的挤压使得灰土本身更紧密。渣土中的灰土成分填充了大颗粒( 建筑垃 圾) 的缝隙，限制了大颗粒的移动。由于渣土中的灰土和建筑垃圾的相互作用，使得渣 土中的灰土和建筑垃圾共同承担荷载，因此渣土比一般灰土具有更高承载力，而且更加 经济。将矿渣和土( 或土中外加一定的石灰或水泥) 拌合而成的叫矿渣土。其同样相对 一般灰土而言强度较高且更加经济。 以上所说的二灰土，水泥灰土，渣土和矿渣土皆属于灰土的扩展概念范围内。二灰 土主要是通过增大一般灰土的团粒和团粒强度而改良的灰土类型，水泥灰土主要是改变 一般灰土的连接而提高灰土的强度。渣土主要是改变一般灰土级配而提高灰土的强度。 而矿渣土是改变了土中的矿物成分和灰土的颗粒大小也改变的级配而提高土的强度。其 中二灰土，渣土和矿渣土的经济性很好。而水泥灰土主要是根据工程需要( 比如龄期的 需要和设计强度的需要) 而发展起来的。 1 1 2 黄土的分布和构成 黄土指的是在干燥气候条件下形成的多孔性具有柱状节理的黄色粉性土，湿陷性黄 土受水浸湿后会产生较大的沉陷f 2 捌。由砂粒、黏土和少量方解石的混合物，浅黄或黄 褐色，内部空隙较大，用手搓捻容易成粉末。它是第四纪形成的陆相黄色粉砂质土状 堆积物。黄土的粒径从0 0 0 5 毫米0 0 5 毫米，其粒度成分百分比在不同地区和不 同时代有所不同。 它广泛分布于北半球中纬度干旱和半干旱地区。黄土的矿物成分有碎屑矿物、粘土 矿物及自生矿物三类。碎屑矿物主要是石英、长石和云母，占碎屑矿物的8 0 ，其次有 1 二八灰十强度变化规律分析及其本构关系的研究 辉石、角闪石、绿帘石、绿泥石、磁铁矿等；此外，黄土中碳酸盐矿物含量较多，主要 是方解石。粘土矿物主要是伊利石、蒙脱石、高岭石、针铁矿、含水赤铁矿等。黄土的 化学成分以s i 0 2 占优势，其次为2 0 3 、c a 0 ，再次为f e 2 0 3 、m g o 、k 2 0 、n a 2 0 、 f e 0 、t i 0 2 和m n o 等。黄土的物理性质表现为疏松、多孔隙，垂直节理发育，极易渗 水，且有许多可溶性物质，很容易被流水侵蚀形成沟谷，也易造成沉陷和崩塌。黄土颗 粒之间结合不紧，孔隙度一般在4 0 5 0 。黄土是指原生黄土，即主要由风力作用形 成的均一土体；黄土状沉积是指经过流水改造的次生黄土。中国北方新生代晚期土状堆 积物中常见有古土壤分布，尤以黄土高原地区黄土中最为普遍。在黄土古土壤层下部的 白色钙质淀积层常以结核形式表现出来。钙结核的形状有长柱状、不规则树枝状及圆球 状等，一般长1 5 2 5 厘米，宽5 1 0 厘米。黄土在北半球各大陆均有分布，以中国北 方的黄土最为典型，在黄河中游构成了著名的黄土高原。中国黄土的分布区介于北纬 3 4 0 4 5 。之间，呈东西向带状分布，位于北半球中纬度沙漠黄土带东南部。黄土分布还 与东西向山脉的走向大体一致，昆仑山、秦岭、泰山一线以北黄土分布广泛。中国黄土 的总面积为3 8 0 8 4 0 平方千米，黄土状沉积的总面积为2 5 4 4 4 0 平方千米。其中黄河流域 黄土面积为3 1 7 6 0 0 平方千米。黄土的厚度各地不一，陕西泾河与洛河流域的中下游地 区，最大厚度可达1 8 0 2 0 0 米。中国黄土物质主要来自罩海以东北纬3 5 。4 5 。的内陆 沙漠盆地地区。沙漠盆地中的上升气流将粉尘颗粒输送至高空，进入西风环流系统，随 着西风带的高空气流自西向东、东南飘移，至东经1 0 0 0 以东的地区发生大规模沉降。 堆积起来的粉尘颗粒，由于生物化学风化作用，发生次生碳酸盐化形成黄土。 1 1 3 石灰的构成和质量评定 凡是以碳酸钙为主要成分的天然岩石，如石灰岩、白垩、白云质石灰岩等，都 可用来生产石灰。 将主要成分为碳酸钙的天然岩石，在适当温度下煅烧，排除分解出的二氧化碳 后，所得的以氧化钙( c a o ) 为主要成分的产品即为石灰，又称生石灰。 在实际生产中，为加快分解，煅烧温度常提高到1 0 0 0 1 1 0 0 。由于石灰石原 料的尺寸大或煅烧时窑中温度分布不匀等原因，石灰中常含有欠火石灰和过火石 灰。欠火石灰中的碳酸钙未完全分解，使用时缺乏粘结力。过火石灰结构密实，表 面常包覆一层熔融物，熟化很慢。由于生产原料中常含有碳酸镁( m g c 0 3 ) ，因此 生石灰中还含有次要成分氧化镁( m g o ) ，根据氧化镁含量的多少，生石灰分为钙 质石灰( m g o = 5 ) 和镁质石灰( m g o 5 ) 。 生石灰呈白色或灰色块状，为便于使用，块状生石灰常需加工成生石灰粉、消 石灰粉或石灰膏。生石灰粉是由块状生石灰磨细而得到的细粉，其主要成分是c a o ； 消石灰粉是块状生石灰用适量水熟化而得到的粉末，又称熟石灰，其主要成分是 c a ( o h ) 2 ；石灰膏是块状生石灰用较多的水( 约为生石灰体积的3 4 倍) 熟化丽得到 2 硕十学位论文 的膏状物，也称石灰浆。其主要成分也是c a ( o h ) 2 。 石灰浆体的硬化包括干燥结晶和碳化两个同时进行的过程。石灰浆体因水分蒸 发或被吸收而干燥，在浆体内的孔隙网中，产生毛细管压力。使石灰颗粒更加紧密 而获得强度。这种强度类似于粘土失水而获得的强度，其值不大，遇水会丧失。同 时，由于干燥失水。引起浆体中氢氧化钙溶液过饱和，结晶出氢氧化钙晶体，产生 强度；但析出的晶体数量少，强度增长也不大。在大气环境中，氢氧化钙在潮湿状 态下会与空气中的二氧化碳反应生成碳酸钙，并释放出水分，即发生碳化。 碳化所生成的碳酸钙晶体相互交叉连生或与氢氧化钙共生，形成紧密交织的结 晶网，使硬化石灰浆体的强度进一步提高。但是，由于空气中的二氧化碳含量很低， 表面形成的碳酸钙层结构较致密，会阻碍二氧化碳的进一步渗入，因此，碳化过程 是十分缓慢的。 生石灰熟化后形成的石灰浆中，石灰粒子形成氢氧化钙胶体结构，颗粒极细( 粒 径约为1 p m ) ，比表面积很大( 达1 0 3 0m 2 鹰) ( 智能f s o r b2 4 0 0 比表面积仪全 自动b e t 法测定) ，其表面吸附一层较厚的水膜，可吸附大量的水，因而有较强保 持水分的能力，即保水性好。将它掺入水泥砂浆中，配成混合砂浆，可显著提高砂 浆的和易性。石灰粒子比表面积研究是非常重要的，石灰粒子的比表面积检测数据 只有采用b e t 方法检测出来的结果才是真实可靠的，国内目前有很多仪器只能做直 接对比法的检测，现在国内也被淘汰了。目前国内外比表面积测试统一采用多点 b e t 法，国内外制定出来的比表面积测定标准都是以b e t 测试方法为基础的，请参 看我国国家标准( g b t 1 9 5 8 7 2 0 0 4 ) ，气体吸附b e t 原理测定固态物质比表面积的 方法。比表面积检测其实是比较耗费时间的工作，由于样品吸附能力的不同，有些 样品的测试可能需要耗费一整天的时间，如果测试过程没有实现完全自动化，那测 试人员就时刻都不能离开，并且要高度集中，观察仪表盘，操控旋钮，稍不留神就 会导致测试过程的失败，这会浪费测试人员很多的宝贵时间。真正完全自动化智能 化比表面积分析仪产品，将测试人员从重复的机械式操作中解放出来，大大降低了 他们的工作强度，培训简单，提高了工作效率。真正完全自动化智能化比表面积测 定仪产品，大大降低了人为操作导致的误差，提高测试精度。f s o r b2 4 0 0 比表面积 测试仪是真正能够实现b e t 法检测功能的仪器( 兼备直接对比法) ，更重要的f s o r b 2 4 0 0 比表面积测试仪是迄今为止国内唯一完全自动化智能化的比表面积检测设备， 其测试结果与国际一致性很高，稳定性也很好，同时减少人为误差，提高测试结果 精确性。 石灰依靠干燥结晶以及碳化作用而硬化，由于空气中的二氧化碳含量低，且碳 化后形成的碳酸钙硬壳阻止二氧化碳向内部渗透，也妨碍水分向外蒸发，因而硬化 缓慢，硬化后的强度也不高，1 ：3 的石灰砂浆2 8d 的抗压强度只有0 2 o 5 m p a 。 在处于潮湿环境时，石灰中的水分不蒸发，二氧化碳也无法渗入，硬化将停止；加 3 二八灰十强度变化规律分析及其本构关系的研究 上氢氧化钙易溶于水，已硬化的石灰遇水还会溶解溃散。因此，石灰不宜在长期潮 湿和受水浸泡的环境中使用。 石灰在硬化过程中，要蒸发掉大量的水分，引起体积显著收缩，易出现干缩裂 缝。所以，石灰不宜单独使用，一般要掺入砂、纸筋、麻刀等材料，以减少收缩， 增加抗拉强度，并能节约石灰。 石灰具有较强的碱性，在常温下，能与玻璃态的活性氧化硅或活性氧化铝反应， 生成有水硬性的产物，产生胶结。因此，石灰还是建筑材料工业中重要的原材料。 石灰中产生胶结性的成分是有效氧化钙和氧化镁，其含量是评价石灰质量的主 要指标。石灰中的有效氧化钙和氧化镁的含量可以直接测定，也可以通过氧化钙与 氧化镁的总量和二氧化碳的含量反映，生石灰还有未消化残渣含量的要求；生石灰 粉有细度的要求；消石灰粉则还有体积安定性、细度和游离水含量的要求。 1 1 4 石灰的应用 石灰在土木工程中应用范围很广，主要用途如下： ( 1 ) 石灰乳和砂浆 消石灰粉或石灰膏可以用于墙体表面粉刷。用石灰膏或消石灰粉可配制石灰砂 浆或水泥石灰混合砂浆，用于砌筑或抹灰工程。 ( 2 ) 石灰在地基处理的应用 将消石灰粉或生石灰粉掺入各种粉碎或原来松散的土中，经拌合、压实及养护 后得到的混合料，称为石灰稳定土。它包括石灰土、石灰稳定砂砾土、石灰碎石土 等。石灰稳定土具有一定的强度和耐水性。广泛用作建筑物的基础、地面的垫层及 道路的路面基层。另外，随着施工工艺的进步，工程上以打入桩的形式将石灰混合 料打入在土层里，通过石灰的膨胀性能来提高地基的强度，这种地基处理方法称为 石灰桩地基处理。 ( 3 ) 硅酸盐制品 以石灰( 消石灰粉或生石灰粉) 与硅质材料( 砂、粉煤灰、火山灰、矿渣等) 为 主要原料，经过配料、拌合、成型和养护后可制得砖、砌块等各种制品。因内部的 胶凝物质主要是水化硅酸钙，所以称为硅酸盐制品，常用的有灰砂砖、粉煤灰砖等。 由于我国黄土分布状况，故灰土( 这里指的是通过在黄土中掺一定量的石灰而形 成的石灰稳定土) 用于地基处理在我国西北部十分广泛。因此本文主要研究灰土的 强度特性，并从微观机理方面进行分析。 1 2 本文的思路 由于灰土的性质相对一般土来说更加复杂，故本文很大的篇幅从微观机理入手 对灰土进行分析。另外考察灰土应力应变关系是否符合邓肯张模型，因为该模型 4 硕士学位论文 是土木工程中最常用模型之一，且有软件应用。 ( 1 ) 对灰土做击实试验，主要是找出该灰土( 本试验为二八灰土) 的最优含 水量，以最优含水量配制试样( 除少量的不同含水量和强度变化关系的试验的试样 外) 。并找出灰土的最佳击实次数。同时用微观机理分析含水量对干密度的影响和 击实次对干密度的影响。 ( 2 ) 对不同龄期灰土试样做不同围压的三轴试验，主要是比较不同龄期灰土 的c ，f 值的变化情况。同是也找出灰土随围压的变化而c ，f 值的变化规律。分析 引起c ，f 值变化的原因。 ( 3 ) 对不同龄期不同含水量的试样做三轴围压试验，找出c ，f 值随含水量的 变化规律，并用微观机理分析含水量影响c ，f 值变化的原因。 ( 4 ) 对不同龄期的灰土试样做浸水( 2 4 小时风干处理) 试验，找出浸水次数 对灰土的c ，f 值的影响。另外对浸水后不风干的试样做三轴试验( 只做9 0 天龄期 一组) ，分析其c ，f 值变化规律。 ( 5 ) 对1 2 0 天龄期的灰土试样做浸水( 3 小时) 一次后不同风干时间的三轴试 验，目的是找出灰土由湿到干变化过程中c ，f 值的变化规律。 ( 6 ) 根据试验数据，对邓肯张土模型是否适用于灰土进行了分析。适用则将 数据代入邓肯张模型，并比较不同状态下用邓肯张模型求出的初始剪切模量和破 坏比。 5 二八灰土强度变化规律分析及其本构关系的研究 第2 章灰土强度变化规律的分析 2 1 土体强度的两个指标c ，f 值 根据土体的抗剪强度莫尔库仑强度准则【矧，那么土体中任一平面上土体的抗剪强 度为t f = s n t 矿+ c ，如图2 1 所示。 t 0 3 o l 0 n 图2 1 土的抗剪强度图 t 广- 土体的抗剪强度；s 。破坏面上的正应力值；f 一内摩擦角；卜内聚力 2 1 1 三轴试验 建筑地基设计规范1 3 0 】( g b 5 0 0 0 9 2 0 0 1 ) 4 2 4 条规定室内抗剪强度的两个指标 c ，f 值应采用三轴试验来确定。本工作中测试灰土的c ，f 值，采用了t s 2 3 0 2 o 型应变控制式静三轴仪。 2 1 1 1 试验前材料准备 ( 1 ) 土和石灰过1 m m 土工筛，除去土中的有机成分，保证灰土的均匀性和粒 径的大小。 ( 2 ) 滤纸和乳胶膜要准备充分，乳胶膜要保证其不透水。 2 1 1 2 试样制备 ( 1 ) 土和石灰的拌合要足够均匀，同时要保证土和石灰的体积比率。防止两次 制样的体积比产生偏差。 ( 2 ) 配制的灰土样要测含水量，严格控制含水量。配制好的灰土样在制样期间 必需放入密封塑料袋，防止水分散发。 ( 3 ) 分层击实，而且层与层之间要求毛面粘结。 ( 4 ) 要保证样的上下面轴向垂直。脱模要保证试样无缺损或裂缝。 6 t，l c 硕十学位论文 ( 5 ) 制好的试样必需称其质量( 7 1 5 5 9 ) ，保证所有的试样有同样的密实度。 ( 6 ) 根据试验的需要制备的试样数外，另外制备一定的备样，并剔除不合格的 样。 2 1 1 3 仪器的调节 ( 1 ) 试验前要保证仪器的正常运行，其中包括仪器的加压装置的运行正常性。 各压力管或连通管的顺畅。 ( 2 ) 要保证压力室的密封性，同时压力室上部的导杆要有足够的润滑。 ( 3 ) 轴向加压设备要求运行正常，试验前要检查其是否有脱档情况。 2 1 1 4 试验时需注意事项 ( 1 ) 按正规的操作方法去操作，特别是操作顺序一定要正确( 参照土工试验 方法标准) 。 ( 2 ) 保证试样的密封性。另外要保证乳胶膜和试样的接触良好，膜内无气泡。 ( 3 ) 压力室内要保证无气泡。 2 1 1 5 试验后 ( 1 ) 及时对试样的破坏形式作记录。 ( 2 ) 要测破坏后试样的含水量。 2 1 2 由试验确定c ，f 值的方法 三轴试验的c ，f 值的求解有很多种，其中常用的有： ( 1 ) 作图法 根据强度理论莫尔库伦准则可以认为三轴试验破坏的应力圆近似的和某一条 直线相切，切点的应力值就是破裂面的正应力s 和剪应力t ，则有： b c = ( sl - s3 ) 2 贝0 ：b f = c o s f ( s l - s3 ) 2f c = s i n f ( s l - s3 ) 2 那么：d f = ( s1 + s 3 ) s i n f ( s1 - s3 ) 2 于是有： s = ( s l + s3 ) - s i n f ( s 1 s 3 ) 2 t = c o s f ( s1 一s 3 ) 2 它们满足线性关系，即：t = c + s t g f 它们的关系如图2 2 所示。 ( 2 ) t 值求法 如果已知c ，f 值和试验的围压，反过来求t 值。 7 二八灰十强度变化规律分析及其本构关系的研究 如图 2 2 a d = e d c t g f = c c t g f a c s i n f = b ca c = a d + d c =c c t g f b c = ( s 1 - s 3 ) 2d c = ( s 1 + s3 ) 2 b f = b c c o s f 则有： s1 = 【( 1 + s i n f ) s3 + 2 c c o s f 】( 1 一s i n f ) t = c o s f ( sl s3 ) 2 将c ，f 值和已知的s 3 代入( 2 1 ) 式可得s1 将f 值，s 3 值和s1 值代入式( 2 2 ) 则可求得t 值 t e一一 t d 0 3 fc o i 图2 2s ，t 的关系图 。 图2 3 包络线示意图 ( 2 1 ) ( 2 2 ) o 图2 3 中只列出3 个应力圆，但现实试验一般不止3 个围压，根据试验数据， 将所有试验数据绘于图上，找出它们的近似相切线。 ( 3 ) 最小二乘法 如图2 4 所示 b c = ( s 1 s 3 ) 2 ，d c = ( s l + s3 ) 2 ( 2 3 ) a b c 丝a d e 故：b c d e = a c 雠 ( 2 4 ) 将( 2 3 ) 式代入( 2 4 ) 得：sl = ( d e + a e ) ( a e - d e ) s3 + 2 a d d e ( a e d e ) a d e 可以决定切线a b ， 8 硕十学位论文 因而可设s l = a s 3 + b 根据试验数据可以用最小二乘法拟合出直线 由a = ( d e + a e ) ( a e d e ) d e = a e s i n f 得：s i n f = ( a 1 ) ( a + 1 ) 由b = 2 a d d e ( a e - d e )a d = d e c t g f 得：c = b ( 1 s i n f ) ( 2 c o s f ) 由( 2 6 ) 、( 2 7 ) 式可以求出c ，f 值。 ( 2 5 ) ( 2 5 ) ，可求得a ，b 值。 c = d e t e彳情 、。 o ( 2 6 ) ( 2 7 ) 图2 4 最小二乘法的关系示意图 2 2 灰土强度的影响因素 到目前为止，国内外有许多学者都对灰土的强度变化规律进行了研究。 张汉俊i _ 7 j 提出灰土之所以在建筑中得到广泛应用主要是由于生石灰在与土混合后遇 到土中水分使生石灰发生化学变化，产生消化吸水、放热、膨胀、凝固等有利于提高灰 土的整体性结构强度和防渗能力等作用。 韩晓雷等【8 】提出灰土的干密度对灰土的强度有很大影响，此外施工时的含水率对灰 土的强度尤其是长期强度影响很大，在施工中应尽量使灰土的含水率接近其最优含水率。 在1 ：9 、2 ：8 和3 ：7 三种配比的灰土中，以2 ：8 灰土的配比最接近最优配灰比，后期 强度最大。 赵寿刚等【9 】提出灰土的抗压强度随冻融次数的增加而减小，在低温冻融循环作用下， 灰土的抗压强度值仍很小。 田志高等【1 0 】提出灰土强度随时间增长而增长，其增长速度随时间阶段的不同而有所 差异。在前期阶段随时间增长而增长的速度比较快，而在后期阶段逐渐变缓。 张伯平掣1 1 】提出冻结对黄土三七灰土碾压质量有显著影响，不但影响灰土碾压效 果，且温度越低影响越大，冻结历时越长影响越大。由于灰土土体冻结过程的热筛效应 引起土体冷生面的变化，导致土层中融弱层存在，会影响压实土的性质和地基承载力。 童维孝等1 1 2 l 提出水泥可提高路面的早期强度而石灰则能够延缓固结时间而使得施 工操作不致过于急迫。 徐培华掣”】提出旧灰土材料再生利用在技术上是完全可行的要选用再生方法得当 9 一八灰十强度变化规律分析及其本构关系的研冗 再生灰土的强度可达到甚至超过常规的新灰土强度。 董玉文等【1 4 】提出灰土比对灰土的工程性能有一定的影响。含灰量大于2 5 时， 灰土的工程性能达到最佳，此时灰土的压缩性较小，而抗剪性较高。 李鹏琳等1 1 5 j 提出灰土的最大动弹性模量比黄土的最大动弹性模量要大出许多， 阻尼比也比黄土大一些。在相同的应变水平下，随着围压的增大动模量增大，当应 变增大时，模量e 随之减小，阻尼比d 随之增大。 雷胜友等【1 6 】提出改良膨胀土的粘聚力比膨胀土的大而内摩擦角反而比膨胀土的 小，但改良后膨胀土的水稳定性及静强度均有很大提高。 刘健等【1 7 】提出采用灰土换填与c f g 桩联合加固软弱地基具有地基沉降量小承 载力提高幅度较大沉降稳定快的特点。 商庆森等【1 8 l 提出小于o 1 3 m m 细粒料含量多有降低强度和水稳性作用。 张宛林等【1 9 】提出由于静电引力的作用，增强了土颗粒间的疑聚力，减小了粘土 矿物的亲水性，使得膨胀土的胀缩性减少。 由此可知影响灰土强度的因素远远比一般土的影响因素要多。灰土和其它土一 样受土的含水量，压实度，环境因素( 如湿度，温度，土中水的p h 值等) 等的影 响。但灰土受影响因素和一般土受影响因素的机理存在着很大的差别。主要是由于 灰土在受到影响因素的同时产生的化学反应，同时与外界发生能量和物质的交换。 能量的交换使得灰土本身收缩或膨胀，这样一来，灰土的致密过程变得比一般土复 杂。产生的物质的交换使得灰土的骨架和一般土不同的骨架有变化，因而灰土的强 度增强机理和一般土有很大的不同。 2 2 1 土的构成与土团粒的形态 土的物质成分包括作为土骨架的土团粒，填充于土团粒之间的水和气体。土体 的强度受水的影响很大，过量的水能软化土团粒，使土团粒容易分解，并减弱土团 粒之间的连接。土团粒之间的连接和土团粒的强度受土体中的矿物成分影响。一般 来说，组成土团粒的矿物的亲水性越强，土的工程特性受含水量的影响越大，组成 土的团粒越粗、越坚硬则土体的两个指标c ，f 值就越高。c 值主要决定于土团粒和 团粒之间的连接，f 值主要决定于土团粒的大小和形状1 1 引。 以上的分析可以对影响土体的强度因素进行解析1 2 9 】1 3 2 】： 1 土粒的粒度成分 土的粒度成分是指土团粒的大小和大小不同的土颗粒的相对含量( 或称颗粒级 配) 。颗粒级配的好坏主要决定于大小土颗粒所占的比例和颗粒本身的形状。一般 来说，如果土颗粒大小不一，形状各异的土的级配就比较好，其容易处理密实状态， 而且土团粒和土团粒之间的咬合比较好。 2 土团粒的硬度 1 0 硕士学位论文 有时土体在还没完全破坏土团粒和土团粒之间的连接时就已经自身发生了改 变，比如土团粒自身在外力的作用下变得圆滑，这样就使得土体的f 值下降。同样， 在外力的作用下可能土团粒会被一分为二或一分为几。这样土体的f 值也下降。也 主要是这个原因，同一种土在不同的围压下其实c ，f 值是不同的。 3 土团粒间的缝隙 土的缝隙中的填充物不同其表现的工程力学性能也不同。另外缝隙的形状的不 同，其工程力学性能也不同。如果土比较干燥，其缝隙中的填充大都为空气。当外 界传来压力时，土团粒和土团粒之间的连接或土团粒自身直接破坏，破坏的土团粒 往周边的缝隙移动，挤压着旁边的土团粒或土团粒之间的结合点。使得周围的土体 短时间内应力加大。因此干燥的土体容易产生脆性破坏。另外当土的缝隙呈现竖向 形状时，土团粒基本也是竖向支撑土体的，当外界传力到土团粒时，土团粒的应力 很容易传到周边容易受破坏的土团粒或其连接上。这样一来，其工程力学性能也不 好。 4 土的矿物成分 土的矿物成分是影响土体强度的主要因素。组成土的固体团粒的矿物成分主要 有原生矿物，次生矿物，可溶性盐，有机质四大类。根据这四类物质成分的含量的 不同，它们的工程特性也随之不同。 ( 1 ) 原生矿物 原生矿物主要是由母岩风化后保留下来的矿物。它的特点是颗粒大，物理、化 学性质比较稳定。如果原生矿物的含量合适，且颗粒的表面棱角分明，坚硬度高， 组成的土的工程特性就比较好。 ( 2 ) 次生矿物 次生矿物主要是母岩风化过程中形成的新矿物。它的组成主要是粘粒成分。其 主要有粘土矿物、次生s i 0 2 ( 胶态、准胶态s i 0 2 ) 、倍半氧化物( a 1 2 0 3 和f e 2 0 3 等) 。 其中对土的工程特性影响最大的是粘土矿物。它的主要特点是具有很高的表面能、 亲水性和一系列特殊的性质。这类物质只要土中有少量则可引起土的工程性质发生 很大的改变，即加大了土的变形和塑性、降低土的强度和透水性。 除此以外，土中还含有高岭石、蒙脱石、伊利石、水云母等矿物成分。高岭石 具有比较稳固的晶体结构，和水之间的作用比较小。而蒙脱石则遇水晶格膨胀，失 水收缩。伊利石和水云母中的s i 4 + 离子常被舢3 + 和f e 2 + 所置换而在相邻间常出现正 离子( 如k + ) 来补充晶胞中的正电荷的不足，使得晶体与晶体间的连接紧密。 ( 3 ) 可溶性盐 土中可溶性盐对土体的强度影响很大，尤其是在遇水的时候。一般土中的可溶 性盐主要有： 易溶性盐：n a c l ，c a c l 2 ，n a 2 s 0 4 1 0 h 2 0 ，n a 2 c 0 3 1 0 h 2 0 等 1 1 二八灰十强度变化规律分析及其本构关系的研冗 中溶性盐：c a s 0 4 2 h 2 0 ，m g s 0 4 等 难溶性盐：c a c 0 3 和m g c 0 3 等 ( 4 ) 黄铁矿，硫化物和硫酸盐类 这类物质遇水后易分解，导致土的粒间的粘结被减弱或破坏，空隙增大。 5 土中的水 在自然的条件下，土体总是含水的。一般来说，土中的易分解的矿物成分越多， 其对土的工程性质影响越大。另外水对空隙比较大的土体的强度的影响也很大。造 成黄土的湿陷性主要是这两个因素。 ( 1 ) 矿物结合水 这种类型的水主要是以离子的形式存在于矿物的晶体中，一般不容易分解。但 在高温下可以从矿物中失去。它存在于晶体中，是构成了土的骨架之一。一般来说 对土的工程性质影响不大。 ( 2 ) 结合水 结合水是指受分子引力，静电作用等吸附在土团粒表面的水，并成定向的排列。 一般来说，所吸附于土团粒的水所形成的水膜越厚或吸附的力量越大，那么土的工 程稳定性越好。 ( 3 ) 自由水 指一般存于土体的空隙之间的水，其组成一般可分为：毛细水、重力水、气态 水和固态水。毛细水主要是由毛细作用下吸进较小的土体缝隙的水，缝隙越小，毛 细力越大。毛细作用对水产生的作用力对团粒产生一定的影响。重力水主要存在于 土体比较大的缝隙。其能分解土中矿物结晶，使土体的压缩性增大，降低土体的抗 剪强度。气态水主要是以气态的形式存在于土体中的水，其可能凝结变为液态的水 分布于土团粒的表面。也可能慢慢的扩散于空气中。 ( 4 ) 固态水 固态水主要是重力水在0 度以下凝结成为固态的水。当固态水在温度升高时变 为液态水，使土体的强度大幅度的下降。 2 2 2 石灰对黄土的增强机理分析 石灰主要由氧化钙，碳酸钙等成分所组成。灰土地基处理法是改良黄土地基的 有效方法1 3 - 1 9 1 。 1 石灰改变黄土土粒的粒度成分 氧化钙是遇水发热膨胀的材料，碳酸钙是难溶性盐但在水的作用下可以分解并 溶于水产生氢氧化钙溶液。该溶液遇二氧化碳就产生碳酸钙沉淀。其和氧化钙反应 会产生晶体碳酸钙。这是一个不断循环反应过程。另外，在这个反应中不断地进行 离子交换，使得碳酸根离子和钙离子进入土体。和土体中的硅离子或硅酸离子组成 1 2 硕士学位论文 了复杂的晶体结构。这样一来就形成了比较大的土团粒。膨胀的土团粒和未反应的 土团粒之间产生挤压并填充了土原有的部分空隙，使得土形成了非单一的聚团。因 而灰土的粒度成分比原有土的粒度成分要好。 如图2 5 所示，由于石灰能和水和土体中的成分发生激烈的化学反应，根据物 理化学性能，当石灰和水发生反应时，其会产生真空力，使得水和附近的小土团粒 向石灰团粒靠近，并粘附在石灰团粒周边，并发生化学反应。使得石灰团粒变大， 并且形成了一种较稳定状态的土团粒( 灰土团粒) ，周边剩下比灰土团粒小的土团 粒，因而其级配变得比原来的要好，这样随时间的增加，灰土慢慢的变得密实。 图2 5 灰土中粒度成分变化示意图 2 石灰改变土团粒的硬度 聚团的灰土团粒的硬度相对原来土体中的土团粒要硬而且容易和土中未反应 的土团粒结合。其团粒之间的连接复杂丰富，不易破坏。一般来说，灰土的破坏是 先破坏土团粒之间的连接。还有石灰和土反应，吸走大量的重力水，使得土团粒硬 化。这样一来，石灰作用不但大大的提高了c 值，也大大的提高土的f 值。 3 石灰改变土团粒间的缝隙 一般来说灰土垫层是由细化的石灰和细化的黄土再配上最优含水量经碾压夯 实并有一定的养护龄期形成的。土团粒之间的缝隙再也不是原状黄土的缝隙，特别 是湿陷性黄土的那种竖向结构的缝隙。两种材料间的结合使缝隙变得更小。加上灰 土中的石灰的水化作用，使灰土的土团粒膨胀而填充一部分空隙。这样灰土就不像 黄土那样可能由于土中的应力集中于某些土团粒而容易产生破坏，外界传力基本由 土中的各团粒共同承担。因此灰土的强度远远高于一般的黄土。 4 石灰改变黄土的矿物成分 黄土的碎屑矿物主要是石英、长石和云母，占碎屑矿物的8 0 ，其次有辉石、角 闪石、绿帘石、绿泥石、磁铁矿等；此外，黄土中碳酸盐矿物含量较多，主要是方解石。 粘土矿物主要是伊利石、蒙脱石、高岭石、针铁矿、含水赤铁矿等。黄土的化学成分以 s i 0 2 占优势，其次为2 0 3 、c a o ，再次为f e 2 0 3 、m g o 、k 2 0 、n a 2 0 、f e o 、t i 0 2 和m n o 等。 1 3 二八灰十强度变化规律分析及其本构关系的研究 当黄土和石灰配制成灰土时，灰土中含有大量的c a o 和c a 2 c 0 3 。这大量的c a o 和c a 2 c 0 3 容易吸水，所以比较容易粘附在表面较大的碎屑矿物( 原生矿物) 所形成的 土团粒的周围，从而形成了新的团粒因而改变了原黄土的团粒形状和大小。另外黄土中 的粘粒成分如次生s i 0 2 ( 胶态、准胶态s i 0 2 ) 、倍半氧化物( 砧2 0 3 和f e 2 0 3 等) 等很 容易粘附在新形成的灰土团粒之间，粘附在灰土团粒之间的粘粒成分和c a 0 和 c a 2 c 0 3 在重力水的作用下结合。随着反应的进行，土团粒之间的重力水的减少，粘粒 成分和c a o 和c a 2 c 0 3 成分形成了新的复杂的晶体连接。这种连接使团粒和团粒间紧密 结合，使得相邻的灰土团粒受力互相分担。这样加大了灰土的强度。另外，c a 2 + 离子比 s i 4 + 离子、舢“离子和f e 2 + 离子更加活跃。使得石灰和土之间不断地进行离子交换， 大量的正离子补充了晶胞中的正电荷，比起原来的黄土来说晶体与晶体间的连接变 得更为紧密( 如 前期灰土后期灰土 图2 6 灰土连接变化微观示意图 湿陷性黄土主要是由于土间的空隙很大，而且是竖向结构的，土体中含有大量 的可溶性盐。当湿陷性黄土遇水时，水破坏了黄土的结构而使得黄土崩塌。然而灰 土中空隙比较小，空隙的形态已经和黄土不一样，当大面积灰土遇上水时由于灰土 的紧密性使灰土周围形成了水膜使水难于进入灰土。另外进入灰土的水不能大量的 破坏石灰和黄土所形成的土团粒和土团粒间的连接，因而灰土在遇水的状态下只是 强度受损而不至于崩塌。由此可得，用于灰土垫层处理地基时要考虑地下水的影响， 而单纯由下